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Tunnel durch Raum und Zeit - Grenzenloses Reisen im Universum
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Einleitung

Gibt es Möglichkeiten, schneller als das Licht durchs Universum zu reisen? Anfang dieses Jahres meldeten Forscher, erstmals die Geschwindigkeit der Gravitation gemessen zu haben - auch sie bewegt sich lichtschnell. Doch die glänzendsten Forscher der Gegenwart haben völlig unabhängig davon verblüffende Konzepte für universale Abkürzungen durch die Raumzeit entwickelt. Eine Reise in andere Welten und Dimensionen.

 

Ein bewegender Moment

»Ist es nicht wunderbar?« unterbricht Commander George A. Wheeler in einem fast ehrfurchtsvoll gedämpften Tonfall die Stille und wendet sich dabei lächelnd seinem alten Freund Jay Thorne zu, der neben ihm am gewölbten Panoramafenster steht. »Ja, allerdings!« erwidert der mittlerweile legendäre Ingenieur ganz schlicht - er, der als Projektleiter der gigantischen Mission nun den fesselndsten Moment seiner Laufbahn erlebt. Vergessen sind alle Mühen, alle Pannen und die nicht eingeplanten zusätzlichen Monate und Jahre, die nötig wurden, um sämtliche technische Probleme zu lösen. Jetzt, im Jahr 2553, ist das Ziel erreicht. Die beiden Männer blicken wie gebannt hinaus auf das kaum mehr fassbare Szenario, das vor ihnen in vollem Gange ist. Vom Steuerzentrum ihrer Raumfähre aus verfolgen sie unvorstellbare Aktivitäten um eine fremde und gefährliche Welt, viele Lichtjahre von der Erde entfernt. Monumentale Orbitalmodule haben ihre Positionen eingenommen und mit den Kräften einer exotischen Physik den Zugang zu einem Schwarzen Loch geschaffen. Mitten durch seinen düsteren Ereignishorizont drängt ein futuristischer Stollen, der Tunnel eines Wurmlochs. Die Sterneningenieure haben es geschafft, künstliche Verbindungen in der Raumzeit zu schaffen, Transitstraßen durchs All, um die Energie Schwarzer Löcher anzuzapfen und sie blitzartig zu den Orten zu transportieren, an denen sie dringend gebraucht wird.

Aber nicht nur Energiefluten, nicht nur Rohstoffe in Hülle und Fülle, auch bemannte Raumschiffe gehen von hier auf eine Reise quer durch das Universum. Die Routen verlaufen entlang eines dichten kosmischen Netzwerks, dessen Knotenpunkte von unvergleichlichen Hybridgeschöpfen des Weltraums besetzt sind: gelungenen Verbindungen zwischen stellaren Extremobjekten und nicht minder extremen künstlichen Schöpfungen in der Raumzeit. Sternen-Technologie der Superlative, Sternentore.
»Wahrhaft ein bewegender, historischer Moment!« flüstert Thorne.
»Sogar gleich in mehrfacher Hinsicht!« ergänzt sein Freund, der Commander, und sinniert weiter: »Endlich sehen wir das Werk unserer Urgroßväter verwirklicht. Sie waren doch die echten Pioniere, die überhaupt erst die fundamentalen theoretischen Grundlagen entwickelt haben, um ernsthaft weiterdenken zu können. Sie und ihre Kollegen haben im 20ten und 21ten Jahrhundert die Tore zu neuen Welten aufgestoßen! Wenn sie das alles hier nun sehen könnten!«
Draußen im All bewegen sich einige kleinere bemannte Raumschiffe auf die dunkle Öffnung eines zweiten Wurmlochs zu, um von ihm aus über mehrere feste Knotenpunkte gleichsam in Nullzeit zu den zivilisatorischen Zentren in diversen fremden Galaxien gebracht zu werden. Das Zeitalter der kosmischen Grenzenlosigkeit hat begonnen.

Reisen durch die Unendlichkeit

Seitdem Menschen wissen, wie gigantisch die Dimensionen des Universums sind, ist ihnen auch schmerzlich bewusst, dass selbst die nächsten Sterne offenkundig unerreichbar sind. Keine gegenwärtige Rakete, kein Raumschiff könnte sie in einer vernünftigen Zeitspanne besuchen. Bei einer Geschwindigkeit von 50.000 Kilometern pro Stunde hätte ein Flugkörper unseren Mond zwar schon in acht Stunden erreicht, wäre aber bei gleichem Tempo rund 100.000 Jahre zu Alpha Centauri unterwegs. Dieser direkteste Nachbar unserer Sonne ist dabei nur 4,3 Lichtjahre von ihr entfernt. Unser Milchstraßensystem, das im kosmischen Ozean wie Plankton im Pazifik untergeht, misst vom einen zum anderen Ende gut 100.000 Lichtjahre. Konventionelle Flugtechnologie nützt da nichts. Visionäre der Forschung zerbrachen sich die Köpfe über Lösungsmöglichkeiten. Riesige Generationenraumschiffe sollten ganze Völker durchs All transportieren, Menschen würden an Bord geboren und dort auch sterben, Generation für Generation, bis die Kolonisten irgendwo draußen auf anderen Welten siedeln und neue Ausgangsstationen für die weitere Reise errichten würden. Doch wären solche Raumexpeditionen überhaupt zumutbar?

Wie wäre es, Menschen für die lange Reise einzufrieren? Stichwort Kryogenik, der Kälteschlaf. Doch wer garantiert, dass sie je wirklich wieder erwachen? Welcher Automat ist so verlässlich, welcher Erhaltungsmechanismus so langlebig, dass das Verfahren auch nur annähernd sicher wäre? Und welcher Astronaut würde sich auf ein derartiges kosmisches Roulette einlassen? Nur wenige Fragen aus einem galaktischen Fragen- und Problemkatalog.
Auch Reisen mit Lichtgeschwindigkeit lassen den unternehmungslustigen Raumfahrer nicht viel fröhlicher aus seinem Anzug blicken. Nach Erdzeit bemessen vergingen immer noch zahlreiche Jahre und Jahrtausende während des Sternenfluges - die Lichtgschwindigkeit gerät im Kosmos zum Schneckentempo.

Aus der speziellen Relativitätstheorie Einsteins ist nun auch bald schon hundert Jahre bekannt, dass die Zeit an Bord eines fast lichtschnell bewegten Raumschiffs viel langsamer vergeht als auf der Erde. Die Sternenreise wird zur Zeitreise, allerdings entlang einer Einbahnstraße. Sind nach Bordzeit nur wenige Jahre vergangen, so hat der irdische Kalender Jahrzehnte und Jahrhunderte abgespult. Der zurückgekehrte und nur wenig gealterte Astronaut wird zu Hause niemanden mehr antreffen, er wird die Welt nicht wiedererkennen und kann auch keine Rückreise in der Zeit antreten. Fernfahrer durch Raum und Zeit müssen also andere Mittel und Wege finden. Was geschähe, wenn man den Raum verformen und falten könnte? Dann wäre es doch möglich, ursprünglich voneinander weit entfernte Punkte eng aneinanderzurücken und die Strecke dazwischen in kurzer Zeit zu überwinden. Eine wahrhaft »verrückte« Idee. Doch immer konsequenter entwickeln sich aus ihr denkbare Lösungen für Tunnel durch Raum und Zeit. Aufbauend auf der speziellen Relativitätstheorie Einsteins schuf dessen einstiger Lehrer Hermann Minkowski bald eine völlig geometrische Betrachtungsweise von Raum und Zeit. Er war es, der beides zur vierdimensionalen »Raumzeit« zusammenfasste.

Abgründe in andere Universen?

Um das Ganze bildlich vorstellbar zu machen, muss man sich den Raum um eine Dimension verringert als Fläche denken, wobei dann senkrecht als dritte Koordinate die Zeit gilt. Mit dieser flachen Minkowski-Metrik ließ sich die spezielle Relativitätstheorie, die sich mit gleichförmigen Bewegungen befasst, geometrisch gut beschreiben. Albert Einstein versuchte nun, analog dazu beschleunigte Bewegungen zu erklären, die auch als Wirkungen der Schwerkraft aufgefasst werden können. Dabei stellte er fest, dass eine Krümmung des Raumes in die vierte Dimension diese Effekte gut darstellen konnte. Wieder um eine Dimension verringert, zeigt die Raum-»Ebene«, die vorher absolut flach war, stellenweise Dellen und Beulen, überall dort, wo Materie im Spiel ist. Anschaulich wird das durch eine völlig ebene Trampolinfläche, in die eine Metallkugel gelegt wird. Sie beult das Gummituch ein, die Geometrie verändert sich. Die neue Raumzeit folgt hier nun der Riemann-Metrik, benannt nach dem Göttinger Mathematiker Bernhard Riemann. Jeder Himmelskörper produziert seinen eigenen gravitativen Abdruck im Gummituch der Raumzeit. Je massereicher und kompakter, desto effektiver. Objekte wie Weiße Zwerge und Neutronensterne erzeugen schon ziemlich tiefe Fallgruben im Riemann-Raum.

Doch am schlimmsten sind die Abgründe der Schwarzen Löcher, jener zusammengebrochenen und ins Unermessliche verdichteter Riesensonnen. Umschlossen sind sie vom Ereignishorizont. Was diese Sphäre ums Schwarze Loch erreicht, müsste schon lichtschnell werden, um wieder zu entkommen. Da ihm nichts entrinnt, nicht einmal Licht, wird die düstere Schwerkraftfalle ihrem Namen wirklich gerecht. Sie ist so kompakt, dass sie das Gewebe der Raumzeit überfordert und einen »endlosen« Schlauch in sie reißt. Lange war nicht klar, ob solche Objekte wirklich möglich sind. In der Theorie lieferte der brilliante Astrophysiker John A. Wheeler aus Princeton ein festes Fundament für deren Existenz, und heutige Beobachtungen zeigen, dass es sie wirklich gibt.

Ein Raumschiff, das den Ereignishorizont nach innen passiert, würde sich in einer extrem veränderten Raumzeit bewegen, die aber nach wie vor existierte. Erst im Zentrum droht als ultimative Abrisskante von Raum und Zeit die berühmt-berüchtigte Singularität. Wie alles andere, könnte auch der Flugkörper das Schwarze Loch nie wieder verlassen, sobald er durch den Horizont ins Dunkel flog.

Schon im Jahr 1960 stießen der amerikanische Mathematiker Martin Kruskal und sein ungarischer Kollege George Székeres bei ihren Berechnungen der »durchlöcherten« Raumzeit-Geometrie rund ums Schwarze Loch auf verblüffende Eigenschaften. Danach schienen die Schwarzen Löcher möglicherweise Verbindungstunnel in andere Universen zu sein. Das Kruskal-Diagramm illustriert die unfassbaren Verhältnisse eines Schwarzen Loches. Es sieht aus wie ein großes X und teilt damit vier Einzelbereiche ab. Sie werden mit römischen Ziffern bezeichnet, wobei die »I« im rechten Feld liegt, die »IV« links gegenüber.

Sackgassen und Sternentore

Aus dem Kruskal-Diagramm resultieren zwei Ereignishorizonte, die innere und äußere Welten trennen. Linkes und rechtes Feld bilden eigene Bereiche außerhalb der Horizonte. »I« ist unser Universum. Aber was stellt »IV« dar? Die Angelegenheit ist nicht leicht zu deuten, doch gibt es Theorien, die diesen abgekoppelten linken Sektor nicht nur als anderen Teil unseres Kosmos betrachten, sondern als ein anderes Universum. Der obere Teil des Kruskal-Diagramms wird als »innere Zukunft« bezeichnet - Sektor III. Dieser Bereich ist durchlässig für alles, was aus den Abschnitten I und IV eintrifft, allerdings entlässt er nichts mehr zurück. Also das typische Bild eines Schwarzen Loches, eines gierigen kosmischen Allesfressers.

Unter Umständen könnten sich hier nach Kruskals Diagramm zwei unglückliche Astronauten aus zwei unterschiedlichen Universen treffen, ohne je wieder in ihre Welt zurückzugelangen. Was aber ist Sektor II? Von hier könnten Signale in die beiden Bereiche - oder Universen? - I und IV gelangen, nie aber zurück. Ganz offenbar beschreibt dieser Sektor das genaue Gegenteil eines Schwarzen Loches - ein weißes Loch, das wie ein kosmischer Geysir wirkt. Es müsste extrem hell leuchten, daher glaubten Astronomen einige Zeit, solche Objekte in Form der Quasare entdeckt zu haben, superleuchtkräftiger Strahlungsquellen im All. Heute sehen Fachleute in ihnen aber viel eher aktive Schwarze Löcher, die Materie um sich herum verschlingen und dabei zur Abgabe gewaltiger Energiemengen veranlassen.
Könnte eine Verbindung zwischen zwei Schwarzen Löchern durch den »Riss« in der Raumzeit hyperschnelle Reisen durchs All und sogar zwischen unterschiedlichen Universen ermöglichen? Spätestens das Kruskal-Diagramm antwortet leider mit einem deutlichen »Nein«. Da es aus einem Schwarzen Loch kein entkommen mehr gibt, könnte der interuniversale Astronaut höchstens innerhalb der Löcher hin- und herpendeln.
Sie müssten auch groß genug sein, damit er nicht augenblicklich in die zentrale Singularität hineinstrudelt. Auch ein Weißes Loch am anderen Ende der »Leitung« würde nicht befriedigen, das Ganze wäre eine langgestreckte Einbahnstraße. Denn Weiße Löcher lassen zwar alles heraus, aber nichts mehr in sie hinein. Der Astronaut würde also seine gewagte Reise durchs Schwarze Loch beginnen und schließlich vom Weißen Loch ausgespien, um auf ewig als heimatloser Fremdling in irgendeiner unbekannten Region innerhalb oder außerhalb unseres Kosmos gefangen zu sein. Höchstens die Kombination von zwei »Schläuchen« mit jeweils gegenpolig gelagertem Schwarzen und Weißen Loch könnte einen Pendelverkehr zulassen. Also: Eintritt in Region A durch ein Schwarzes Loch, Austritt in B durchs Weiße Loch. Daneben ebenfalls in B Eintritt in das dortige Schwarze Loch und Ende der Reise bei Verlassen des Weißen Lochs in Region A. Doch abgesehen von einigen anderen Problemen mit dieser Erklärung sind Weiße Löcher bei den Experten mittlerweile sowieso wieder »out«.

Freie Fahrt durchs Universum

Schon vor Jahren überlegte sich der kalifornische Astrophysiker Douglas Eardley, dass Weiße Löcher keine Phänomene von langer Dauer sein könnten. Da sie dauernd energiereiche Materie abgeben, würden sich bald Unmengen davon um den Anti-Ereignishorizont ansammeln, durch den nichts nach innen gelangt. Irgendwann wäre dadurch die Raumzeit-Geometrie so verbogen, dass sich das Gebilde gewissermaßen zum Schwarzen Loch umstülpen müsste. Andere Überlegungen haben den genialen englischen Physiker Stephen Hawking dazu bewogen, dass wir im Grunde überhaupt nicht zwischen Schwarzen und Weißen Löchern unterscheiden können. So mancher Wissenschaftler glaubt nicht einmal an die Existenz dieser strahlenden Löcher.
Die meisten Löcher führen also leider in ziemlich verstopfte Sackgassen. Das bemerkte auch der wohl populärste Astronom des 20ten Jahrhunderts, der 1996 verstorbene Carl Sagan, als er seinen später verfilmten Roman »Contact« vorbereitete. Die Geschichte verlangte nach einem Mechanismus für sehr schnelle Reisen durch die Raumzeit. So fragte er seinen Kollegen und Freund Kip S. Thorne, einen der bedeutendsten Astro-Theoretiker der Gegenwart, ob er sich ein Konzept für solche Reisen vorstellen könne. Thorne nahm sich der Aufgabe an und entwarf mit seinen beiden jungen Kollegen Michael Morris und Ulvi Yurtsever ein in der Theorie funktionierendes Modell. Die Ergebnisse waren so schlüssig, dass sie sich für eine wissenschaftliche Veröffentlichung eigneten und darüber hinaus viele andere Physiker anregten, ernsthaft über funktionierende Schleusen in der Raumzeit nachzudenken. Thorne, Morris und Yurtsever hatten ein befahrbares »Wurmloch« konstruiert, an das sie eine Reihe wichtiger Bedingungen knüpften. Im Gegensatz zu anderen Konstruktionen mussten diese neuen Tunnel stabil und sicher durchquerbar sein, sie sollten natürlich auch eine sehr schnelle Verbindung bieten, sich mit fortgeschrittener Technologie innerhalb einer vernünftigen Zeitspanne errichten lassen und außerdem keine Ereignishorizonte besitzen, die geradezu Hemmschwellen beim Flug durch das Universum darstellen. Thorne und sein kleines Team berechnete exakt die Menge und Verteilung von Materie im Raum, um die Raumzeit entsprechend zu manipulieren. Die Berechnungen zeigen, dass ein Wurmloch mit Brachialgewalt dazu neigt, in sich zusammenzustürzen - auf jedem Bruchteil eines Quadratmillimeters würden Abermilliarden Tonnen lasten. Dieser Druck ließe sich nur von einer exotischen Materie aushalten, auf die es in den subatomaren Bereichen der Quantenphysik bereits seit längerem Hinweise gibt. Ausgerechnet aus Veränderungen im Vakuum, dem nur scheinbar leeren Raum, könnten diese Energien möglicherweise zu gewinnen sein. Es gibt bereits Ideen, solche exotische Materie am Rand von Schwarzen Löchern zu »ernten«, um damit Baustoff für Wurmlöcher zu gewinnen. Thorne und andere spekulieren schon heute darüber, dass Sterneningenieure der Zukunft solche Gebilde tatsächlich einmal schaffen werden und Reisen durch die Raumzeit dann zum Alltag gehören werden.

Facts:

Die Entdeckung Schwarzer Löcher sorgte für Aufsehen. In der Theorie sind sie schon länger eine feste Größe. Sie verändern Raum und Zeit auf unvorstellbare Weise.

Das Kruskal-Diagramm zeigt: Schwarze Löcher schaffen Tunnel in andere Regionen des Kosmos oder sogar in eigene Universen.

Schwarze Löcher sind gefährliche Einbahnstraßen im All. Weiße Löcher bringen ebenfalls Probleme mit sich.

Kip S. Thorne, einer der genialsten Physiker der Gegenwart, entwickelte auf Anregung von Carl Sagan Möglichkeiten, mit Hilfe künstlich gebildeter »Wurmlöcher« frei durch das All zu reisen.

In ferner Zukunft, so glauben visionäre Astrophysiker schon heute, werden Sterneningenieure Mikrostrukturen der Vakuums nutzen, um Wurmlöcher zu bauen und das All zu durchqueren.

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